طراحی لرزه ای دیوار حائل و تعیین ضریب فشار جانبی خاک به هنگام زلزله به روش مونونوبه – اوکابه (Mononobe-Okabe method)

ویژگی حیاتی حمل و نقل در ساختار ارتباطی عصر امروز، ارزش ایمن سازی راه ها و بی خطر کردن دسترسی ها را روشن می کند. از جمله مواردی که به فراوانی در مسیرهای جاده ای به کار برده می شوند و قطعاً بخشی از ایمنی راه را تأمین می کنند، سازه های نگهبان هستند. دیوارهای حائل به عنوان رایج ترین سازه های نگهبان خاک، در پایدارسازی و شکل دهی به ساختار و بدنه شاهراه ها، جاده ها و به طور کلی مسیرهای حمل و نقل شهری و غیرشهری در کنار طرح هندسی راه و سایر ابنیه فنی مورد استفاده فراوان قرار می گیرند. با توجه به موارد مشاهده شده در ناپایداری برخی از این سازه ها در هنگام زلزله، بازبینی فرآیند طراحی که عمدتاً بر اساس روش متداول مونونوبه – اوکابه انجام می گیرد و به ویژه در کشور ما که از نظر تقسیم بندی لرزه ای جزو مناطق با خطر نسبی زیاد است، اهمیت می یابد. در این نوشتار سعی گردیده است به بررسی روش مونونوبه – اوکابه پرداخته و کارآیی آن در طراحی لرزه ای دیوار حائل و تعیین ضریب فشار جانبی خاک به هنگام زلزله را مورد ارزیابی قرار داد. لازم به توضیح است در برخی موارد ساده سازی های صورت گرفته در حل بسته روش مونونوبه – اوکابه به طراحی غیرایمن و یا غیراقتصادی دیوارهای حائل منجر می شود.

شکل زیر نمونه ای از به کارگیری دیوارهای نگهبان را به صورت نمادین (شماتیک) نشان می دهد. کاربرد زیاد این سازه ها موجب شد که نظریه فشار جانبی خاک جزء اولین گروه از نظریه های ارائه شده در مکانیک خاک کلاسیک قرار گیرد. تئوری های فشار جانبی خاک کولمب در سال 1776 و رانکین 1857، جهت تعیین فشار جانبی خاک در دو حالت محرک و مقاوم، ضرایبی را به عنوان ضریب رانش خاک محرک و مقاوم پیشنهاد می کنند که در واقع نسبت تنش های افقی به قائم در پشت دیوار حائل بوده و به توزیع نیروی رانش در ارتفاع دیوار منجر می شود.

با وجود قدمت و تجربه فراوان در این امر، هنوز کم و بیش شاهد گزارش هایی از خرابی و گسیختگی سازه حائل و خاک به ویژه در رویارویی با نیروهای زلزله در سراسر جهان هستیم. کشور ما ایران که در پهنه بندی لرزه ای در ناحیه با خطرپذیری زیاد قرار دارد نیز از این قاعده مستثنی نیست. گزارش زلزله های اخیر در کشور حاکی از تخریب تعدادی از دیوارهای حائل است.

این گزارش ها نشان می دهند که برخی از دیوارهای حائل در زلزله بم، زلزله منجیل و زلزله چالوس یا به کلی ویران شده و یا به صورت موقت کارآیی خود را از دست داده اند. این تجربه در سایر کشورها نیز شایع است. در ایالات متحده و ژاپن سالانه تعدادی از سازه های نگهبان در هنگام زلزله های متوسط با مشکل پایداری رو به رو می شوند. در ادامه خرابی برخی از دیوارهای حائل در اثر زلزله های بزرگ جهان نشان داده شده است.

این بحث گذشته از آسیب های جبران ناپذیر انسانی و اقتصادی و اتلاف سرمایه های ملی راه ها، به علت مسدود کردن مسیر و خارج کردن آن از خدمت رسانی مناسب پس از زلزله باعث اختلال در شریان های حیاتی شده و بنابراین مدیریت بحران و امدادرسانی را نیز تحت تأثیر قرار می دهد. با توجه به موارد عنوان شده و نقش اساسی سازه های حائل، پرداختن به رفتار لرزه ای آنها و شناسایی نقاط ضعف رویه های رایج طراحی اهمیت می یابد.

در این میان روش مونونوبه اوکابه برای برآورد نیروهای رانشی دیوارهای حائل در حالت زلزله کاربردی فراگیر یافته است. این روش با الهام از روش کولمب به تعیین ضرایب رانش محرک و مقاوم خاک های دانه ای در حالت زلزله می پردازد. در روش مونونوبه اوکابه اثر بارگذاری دینامیکی زلزله، به صورت شبه استاتیکی به وسیله ضرایب زلزله افقی و قائم که بر جرم گسیخته شده پشت دیوار وارد می شوند، تأمین می شود. این روش پس از گذشت سال ها و ارائه روش های پیچیده تر و دقیق تر دینامیکی و عددی هنوز جز اولین گزینه های مهندسان طراح در طراحی دیوارهای حائل است.

در کنار همه برتری های روش مونونوبه – اوکابه همچون کاربرد ساده و آسان، مشکل عمده متوجه فرضیه های ساده کننده ای است که گاهی اوقات با واقعیت های مهندسی همخوانی ندارند و مهندسین را به طراحی دست بالا و یا استفاده از ضرایب تجربی وادار می کنند. در این راستا می توان افزود که روش مونونوبه – اوکابه دارای محدودیت هایی نظیر ممتد بودن شیب سطح زمین خاک پشت دیوار، در نظر نگرفتن آب، در نظر نگرفتن چسبندگی و همچنین عمق ترک خوردگی می باشد.

روش مونونوبه – اوکابه در طراحی لرزه ای دیوار حائل و تعیین ضریب فشار جانبی خاک به هنگام زلزله

مونونوبه و ماتسو در سال 1929 و اوکابه در سال 1926، روشی را برای تعیین ضرایب رانش خاک های دانه ای در حالت زلزله ارائه کردند. این روش که به روش مونونوبه – اوکابه مشهور شد، در واقع روش بسط یافته کولمب است که با در نظر گرفتن نیروهای اینرسی زلزله وارد بر گوه گسیختگی به صورت شبه استاتیکی، ضرایبی را جهت تعیین فشار جانبی خاک در حالات محرک و مقاوم ارائه می کند.

این روش همانند سایر روش های حل بسته در مهندسی ژئوتکنیک مبتنی بر فرضیات ساده کننده هندسی، رفتاری مصالح و بارگذاری بوده و از روش های حل دقیق ریاضی برای یافتن جواب استفاده می کند. تحقیقات بیشتر در مورد روش مونونوبه – اوکابه توسط سید و ویتمن در سال 1970 انجام شد. آنها پس از مقایسه نتایج آزمایشگاهی بر ضرایب محرک این روش صحه گذاشتند و روشی را نیز برای تعیین محل اثر برآیند نیروی جانبی ارائه کردند.

هرچند که آنها ضرایب حالت مقاوم را نامطمئن دانستند. پس از سید و ویتمن محققان دیگری نیز برای کنترل و مقایسه روش های پیشنهادی خود و یا بنا به نیاز روش مونونوبه – اوکابه را مورد ارزیابی قرار داده اند. از آن جمله می توان به گزارش فنگ و چن در مورد نحوه اعمال ضرایب زلزله نام برد. شکل زیر هندسه و پارامترهای اصلی روش مونونوبه – اوکابه را نشان می دهد.

روش یاد شده با ارضای معادلات استاتیک نیرویی برای یک گوه گسیختگی صلب و بیشینه یابی فشار جانبی خاک، یک حل بسته برای تعیین ضرایب رانش خاک ارائه می کند. در این روش فرض شده است که سطح گسیختگی زیر گوه مستوی بوده و معیار گسیختگی آن موهر – کولمب بدون چسبندگی و با رفتار صلب خمیری کامل است. بر اساس تعاریف شکل فوق، مقدار ضرایب رانش و نیز کل نیروهای فشاری جانبی بر اساس روابط زیر قابل محاسبه است. در این روابط P_a و P_p به ترتیب کل نیروهای فشار جانبی حالت محرک و مقاوم هستند که برآیند آنها در یک سوم ارتفاع دیوار به دست می آید.

در کنار تمام مزایا و سهولت کاربرد روش مونونوبه – اوکابه، محدودیت های ناشی از فرضیات ساده کننده خصوصاً رویارویی با مسائل رایج مهندسی مانند دیوارهای حائل راه ها، باعث بروز اختلاف با واقعیت و احیاناً ناکارآمدی و ناتوانی این روش می شود که از آن جمله موارد زیر چشمگیرتر هستند:

1. مقاومت چسبندگی خاک در آن در نظر گرفته نمی شود و تنها برای خاک های دانه ای معتبر است. به همین دلیل از تأثیر عمق ترک کششی نیز صرفنظر می شود.
2. در صورت وجود آب در پشت دیوار، مستقیماً نمی توان تأثیر حضور آب را در روابط و ضرایب در نظر گرفت و در برخی موارد آیین نامه ها از ضرایب اصلاحی در این مورد استفاده می کنند.
3. با توجه به حل بسته تحلیلی امکان حل برای حالتی که 0 ≥ α – β – θ باشد، وجود ندارد. اگرچه ممکن است این شرط حدی خود بیانگر یک حالت ناپایداری موضعی برای شیروانی خاکی بالای دیوار باشد.
4. تقریباً در اکثر موارد شیب خاکریز پشت دیوار محدود است که با فرض نامحدود بودن در روش مونونوبه – اوکابه ناسازگار است. به همین سبب مهندسین طراح در پروژه های راهسازی با وجود تنوع پروفیل و هندسه خاکریزها ناچار به استفاده از روش های معادل و شبیه سازی برای تطابق با روش مونونوبه – اوکابه می شوند.

منابع

• یزدانی، محمود، آزاد، علی (1386)، “بازنگری روش مونونوبه – اوکابه و ارائه راهکارهای مکمل در طراحی لرزه ای دیوارهای حائل”، مجله پژوهشکده حمل و نقل
• نثاری، امیر، فلامکی، امین، جمشیدی، مبین (1392)، “بررسی کارآیی روش مونونوبه – اوکابه در تعیین فشار دینامیکی وارد بر دیوار ساحلی با در نظر گرفتن اندرکنش آب، خاک و سازه”، اولین همایش ملی معماری، مرمت، شهرسازی و محیط زیست پایدار
• Yazdani, Mahmoud, Azad, Ali, Farshi, Abol Hasan, Talatahari, Siamak (2013), “Extended Mononobe – Okabe Method for Seismic Design of Retaining Walls”, Journal of Applied Mathematics.

در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :

• مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
• مطالعات لرزه خیزی چیست؟ (Seismicity studies)
• ژئوفیزیک (Geophysics)
• زمین شناسی (Geology)
• تجهیزات حفاری جهت مطالعات خاک (Drilling equipment for soil studies)
• عوامل مؤثر بر ضریب فشار جانبی خاک (Effective factors on lateral earth pressure coefficient)
• طراحی لرزه ای دیوار حائل و تعیین ضریب فشار جانبی خاک به هنگام زلزله به روش مونونوبه اوکابه (Mononobe-Okabe method)

در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید : 

• تزریق پر فشار یا جت گروتینگ چیست؟ (Jet Grouting)
• ریزشمع یا میکروپایل چیست؟ (Micropile & Underpinning)
• پیش بارگذاری چیست؟ (fill surcharge preloading method)
• اختلاط عمیق خاک یا DSM چیست؟ (Deep Soil Mixing)
• تراکم دینامیکی یا DC چیست؟ (Dynamic Compaction)
• ستون شنی ارتعاشی یا تراکم ارتعاشی چیست؟ (Vibro Stone Column)
• شمع ساختمان ، طراحی و اجرای شمع بتنی و شمع فلزی (Concrete Pile , Steel Pile)
• روش انجماد خاک چیست؟(Ground Freezing)

در زمینه طراحی و مشاوره ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید : 

• روش اجزای محدود چیست؟ (Finite Element Method) (FEM)
• اندرکنش خاک و سازه چیست؟ (Soil Structure Interaction) (SSI)
• معرفی نرم افزار Plaxis
• معرفی نرم افزار GEOSLOPE
• معرفی نرم افزار AutoCAD
• معرفی نرم‌ افزار ETABS
• معرفی نرم افزار SAP2000
• معرفی نرم افزار SAFE
• معرفی نرم افزار ABAQUS
• معرفی نرم افزار FLAC
• معرفی نرم افزار MIDAS

در زمینه پایدارسازی گود بیشتر مطالعه کنید : 

• ساخت از بالا به پایین یا تاپ دان چیست؟ (Top-Down Construction)
• نیلینگ یا میخ کوبی دیواره چیست؟ (Soil Nailing)
• انکراژ یا مهارگذاری خاک چیست؟ (Soil Anchorage)
• مهارمتقابل یا استرات چیست؟ (Braced Excavations – Struts)
• سازه نگهبان خرپایی چیست؟ (Truss Retaining Structure)
• خاک مسلح یا ژئوسنتتیک چیست؟ (Geosynthetict)
• سپرکوبی چیست؟ (Sheet Pile)
• دیوار دیافراگمی یا دیوار دوغابی چیست؟ (Diaphragm walls – Slurry walls)
• دیوار برلنی یا دیوار سولجر پایل چیست؟ (Berlin wall – Soldier Pile and Lagging System)
• زهکشی و آب بندی در گودبرداری چیست؟ (Drainage- Dewatering & Waterproofing )
• نقشه برداری یا مهندسی نقشه برداری چیست؟ (Surveying)
• پایش گود یا مانیتورینگ چیست؟ (Monitoring)
• دستورالعمل بهداشت، ایمنی و محیط زیست چیست؟ (HSE)
• آموزش گام به گام نقشه خوانی انواع روش های پایدارسازی و گودبرداری

در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید : 

• مهندسی تخریب ساختمان (Destruction Engineering)
• خاکبرداری چیست؟ (Excavation)
• رمپ و جمع آوری رمپ در گودبرداری (Ramp removal excavation)
• گودبرداری و خاکبرداری دو عملیات متمایز از یکدیگر
• گودبرداری غیر اصولی (Unprincipled Building Excavation)
• گودبرداری چیست؟ و اصول اجرای گودبرداری های ساختمانی (Excavation)

در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید : 

• ساخت و ساز ابنیه و ساختمان (Building & Structure)
• قرارداد مشارکت در ساخت (Construction participation contract)
• نظارت بر اجرای پروژه های عمرانی (Construction Supervision)
• مشاوره ساختمانی (Construction consulting)
• مدیریت پیمان (Management Contracting)
• مدیریت طرح (Construction Management)
• مدل کسب و کار (B2B) یا بی تو بی (Business-to-Business)
• انواع سیستم های سازه ای (Structural System)
• مدیریت پروژه های عمرانی (Project Management)
• آیین نامه ی ۲۸۰۰ ، طراحی ساختمان ها در برابر زلزله
• سازه فلزی و سازه بتنی (Steel and concrete structures)
• طراحی سازه بر اساس عملکرد (Performance Based Seismic Design, PBSD)
• تغییرمکان جانبی نسبی طبقات چیست؟ (Drift)
• طیف پاسخ و طیف طرح چیست؟ (Spectrum Response)
• انواع سیستم سقف (Types of roof systems)

مطالب مرتبط :

• دانلود مقررات ملی ساختمان
• استاندارد ۲۸۰۰
• مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان (ژئوتکنیک و مهندسی پی)
• مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان (گودبرداری و پایش)
• مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان (سازه های نگهبان)
• مبحث بیست و دوم مقررات ملی ساختمان (مراقبت و نگهداری از ساختمان ها)